自然》《科学》一周（06.20-06.26）材料科学前沿要闻

1.单膜光纤上进行3D打印实现的亚微米精度自由形态光学器件

（Sub-micrometre accurate free-form optics by three-dimensional printing on single-mode fibres)

微光学已被广泛用于许多应用中，例如波束成形，准直，聚焦和成像。文中利用 3D 飞秒打印来制作自由形态微光学元件。文中的方法具有亚微米的精度，因此甚至可以直接在单模光纤上进行加工。并通直接在单模光纤芯面上过制作多种不同器件证明了这种方法的潜力，包括不同的准直光学器件，负曲面镜片，和为了实现光束强度整形的由 10 次多项式描述的自由曲面，以及用于圆偏振滤波器的手性光子晶体。文中通过分析输出图和干涉表征表面的方式确定了光学器件的精度，并发现与数值计算的结果能够很好地吻合。微光学 3D 打印具有足够高的性能，使它可以用来快速制作完成光束整形和成像设备的原型及实际产品。（Nature CommunicationsDOI : 10.1038 / ncomms 11763 ）

2. 银纳米粒子的自然转化过程中稳定的银同位素的分馏方法

（Stable silver isotope fractionation in the natural transformation process of silver nanoparticles)

环境中的纳米颗粒可以通过自然形成和人为释放的方式形成。根据有限的分析方法，对于纳米粒子在自然环境中的性质所能知道的很少，至今为止对其相关的描述，仅仅是关注于纳米尺度的变化和元素浓度。文中利用电感耦合等离子体质谱法来测量银同位素所占比率，这样可以理解银纳米颗粒在环境中的转化过程。文中发现银纳米颗粒在自然条件下的形成和溶解引起了银的天然同位素（107 银和 109 银）所占比率的显著变化，对应的同位素富集因子(ε)升至 0.86‰ 。此外文中还表明，相比于自然形成的银纳米颗粒，制作所得的银纳米颗粒具有明显不同的同位素分流效应。进一步的研究将需要理解同位素分析方法是否可以用于揭示自然环境中银纳米颗粒的来源。（Nature nanotechnologyDOI : 10.1038 / NNANO.2016.93 ）

3. 钛铝单晶的聚片孪晶的高温应用

（Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications)

钛铝各种合金质量很轻，且表现有很好的耐腐蚀性以及高温下良好的机械性能，这些都使它们具有很好的高温应用潜力。然而通过籽晶方法制造钛铝单晶的聚片孪晶面临着很大的挑战，而且它们的工作温度无法得到进一步的提高。本文表明了，取向可控的层状 Ti-45Al-8Nb 单晶可以通过定向凝固的方法来制造而不用复杂的籽晶方法。通过对大量的纳米孪晶进行塑性变形，得出 0°取向层状样品在室温下表现出 6.9% 的平均拉伸延展性和 708MPa 的抗曲强度，以及 978MPa 的破坏强度。在 900℃ 仍有 637MPa 的抗曲强度以及 8.1% 的延展性和优良的抗腐蚀性。因此这种钛铝单晶合金在较高温条件具有十分宽广的应用机会，比如航空和航天材料等。（Nature materialsDOI : 10.1038 / NMAT4677 ）

4. 钙钛矿BiVO4纳米锥串连电池

（Efficient solar-driven water splitting by nanocone BiVO4-perovskite tandem cells)

钒酸铋因具有低成本，可以针对光腐蚀的高稳定性，以及具有 2.4eV 这样相对较小的带隙，使其被广泛地认为是用于光电化学水分解的一种很有前途的光电阳极材料。然而，目前钒酸铋光电阳极实现的性能仍然不能令人满意，原因是它的载流子扩散距离较短限制了钒酸铋膜吸收足够光所需的总厚度。文中提出的方法是将掺钼的钒酸铋（Mo:BiVO4）沉积在设计好的锥形纳米结构上，这样其中的 Mo:BiVO4 层具有较大的有效厚度来保持高度有效的电荷分离能力和光吸收能力，从而可以进一步提高纳米锥结构的多重光散射。最终结果，Mo:BiVO4/Fe(Ni)OOH 纳米锥形光电阳极与可逆氢电极在一个单位的太阳光照下表现出1.23V 下 5.82±0.36 mA cm−2 的高水分解光电流。文中还表明，光电化学电池与一个单一钙钛矿太阳能电池串联在一起时，表现为无辅助水分结，对应的太阳能-氢转化效率提升至 6.2% 。（Science AdvancesDOI : 10.1126 / sciadv.1501764 ）

5. 锐钛矿二氧化钛表面和水界面上过剩电子的面相关俘获和动力学性质

（Facet-dependent trapping and dynamics of excess electrons at anatase TiO2 surfaces and aqueous interfaces)

本征缺陷，掺杂剂和光激发所产生的过剩电子在许多二氧化钛的性质中发挥了关键作用。了解它们的特性，对于提高二氧化钛在能源相关领域应用中的性能十分重要。文中着重关注的是与光催化和太阳能转换最相关的锐钛矿-二氧化钛。利用第一性原理仿真，文中研究了来自最常见的锐钛矿（101）和（001）面以及水界面这样不同供体提供的过剩电子的电子态和动力学性质。文中发现过剩电子的特性很大程度上取决于锐钛矿的暴露面，环境以及电子供体的性质。然而在真空下的（101）面并没有观察到电子俘获，水（101）界面的过剩电子会触发水分离并截留成稳定的Ti3+桥接OH根的络合物表面。与此相反的是，电子会回避（001）面，这表明氧化反应更容易在这个面发生。文中的研究结果，为表面科学实验与锐钛矿晶面依赖性催化的观测提供了桥梁，对优化{101}和{001}面所占比率可以提高材料光催化活性的观点提供了支持。（Nature materialsDOI: 10.1038/NMAT4672）

6. 多元素纳米粒子库

（Polyelemental nanoparticle libraries)

多金属纳米粒子在许多领域都非常有用，然而至今仍没有有效的方法将这种结构的整合成库，使其能够以系统和特定的方式进行探索。这方面的缺失阻碍了全面探索这种系统的可能性。文中提出了系统地研究个别多元素粒子系统的方法，对其中的组合物和尺寸都可以独立的进行控制，并可以理解结构的形成（合金对的相分离状态）。文中所做的库包含了五种元素通过聚合物纳米反应器-介导合成形成的所有组合形式。得出了导致纳米尺度合金形成和相分离的原因，并发现且向库中添加了不能利用传统方法制成的纳米结构。（ScienceDOI : 10.1126 / science.aaf 8402 ）

 1